關于微生物在線生物信息分析系統的開發及運用

吳耀群

摘? ?要：應用瀏覽器或者服務器創建微生物在線分析系統，可以用于傳染病的預防與控制，系統開發中將分析軟件、遠程桌面以及分布式運算等運行方案結合，使系統無需本地安裝，能夠通過瀏覽器直接使用。文章分析了微生物在線分析系統開發時需要的軟件資料和應用技術，結合實際情況探究系統實踐與應用的有效結果。

關鍵詞：微生物;在線生物信息;分析系統

將已有的數據深入發掘，并轉化成生物信息，利用生物信息對傳染病加以診斷和控制，這是在線生物信息分析系統創建的目的，也是傳染病預防與控制工作展開的基礎。雖然已有多種分析軟件，但是這些軟件需要在各自的操作系統中使用互不相容，有的軟件依賴集群使用，功能無法簡化。因此，本文以特別研發一種兼容性、實用性較高的生物信息分析系統。

1? ? 微生物在線生物信息分析系統開發的材料和方法

1.1? 軟件資料來源

隨著現代化網絡信息技術的深入發展，關于微生物信息系統的研發問題已得到初步解決。通過構建信息分析系統，以瀏覽器或服務器作為系統架構模式，改變過去客戶端與服務器的運行方式。該信息分析系統以服務器為核心，無論是程序處理還是數據分析，都能在服務器終端完成，數據可以直接展示給用戶。應用時，無需安裝專業軟件，只需從網絡中將計算機與服務器相連即可，應用瀏覽器就能實現微生物數據的分析和處理。

針對本研究的微生物信息分析系統（以下簡稱微系統），以現有的信息工具和微生物數據庫為主要基礎集成開發系統，為研究人員提供微生物分析服務，以解決實際問題為目的，提高傳染病預防控制的工作效率。本研究系統應用到的軟件是互聯網中免費公布的，可以在Windows系統或者Linux系統中應用。因此，該微系統的開發和應用不會涉及侵權的問題[1]。

1.2? 軟件與分類

本次研發的微系統提供了15種常用的生物信息軟件，以瀏覽器為介質進行訪問和應用。按照功能劃分，主要可以分成以下幾種。

（1）引物設計：Linux系統的Primer3。

（2）序列比對與進化樹構建：Windows系統的MEGA5;Linux系統的BLAST、MAUVE等;Windows與Linux兼用的MEGAN。

（3）數據統計：Windows系統的Cluster，R，Cytoscape。

（4）圖形展示：Linux系統的BRIG、Aigo Gnome Browser。

1.3? 在線微生物信息分析系統的結構設計

從業務邏輯角度可以將該微系統分成Web展示子系統、生物信息計算引擎子系統。這兩個子系統都是獨立的，互不干擾。

（1）生物部署角度：Web展示子系統主要由Web與NX服務器構成，生物計算引擎系統由生物信息軟件服務器和Ftp服務器構成。前者系統能夠提供NX技術遠程支持，但是耗費的硬件資源較多，應用時需要將其配置到級別更高的設備中。相比之下，后者系統各有一個Windows與Linux系統，可以在配置較低的物理設備中。

（2）功能方面：Web展示系統可以為用戶提供友好界面，實現對在線微生物數據的分析，可以下載常用微生物數據;生物計算引擎系統需要通過虛擬遠程桌面實現對數據計算要求的響應[2]。

1.4? 在線生物信息系統應用的技術

根據應用的分層架構設計風格，將信息分析系統劃分為以下4層。

（1）表達層：應用Java構建框架（JavaServer Faces ，JSF）技術，實現對瀏覽器的接收請求，為信息分析系統提供登錄、訪問控制、數據展示與模塊分發的功能。

（2）業務層：使用NX和Spring技術，實現了J2EE開發標準，使業務層成為信息分析系統的核心部位，負責對表現層的數據計算與分析請求進行接收，實現業務邏輯的分析，并對業務層進行模塊化設計。在網絡技術與信息技術支持下，用戶應用信息分析系統時不需要本地安裝，可以直接從互聯網中訪問。

（3）集成層：應用Hibernate技術，向業務層提供資源訪問的接口，幫助業務層屏蔽數據存儲訪問技術。

（4）資源層：應用美國的國際商業機器公司開發的一套關系型數據庫管理系統（IBM DB2）技術，成為信息分析系統的數據關聯庫。

1.5? 在線生物信息系統代碼架構和場景設計

使用者從頁面提出申請，監聽器Check Action對用戶的申請進行驗證，根據用使用情況確定用戶是否登錄。將Nx Action作為事件監聽器，對本次事件的參數加以分析，根據信息分析系統的調用結構確定頁面的實際遷移情況。Nx Action監聽層主要負責信息分析系統的業務邏輯控制和生物數據實物控制，并對業務進行執行與編輯工作。根據多個業務邏輯的實情和通用公告邏輯，將存儲邏輯傳遞給DAO層分析與處理，封裝器再將微生物數據信息存儲。

2? ? 微生物在線生物信息分析系統開發與應用的結果分析

2.1? 軟件收集與封裝

當前信息分析系統收集整理了引物設計、序列比對、數據統計與圖形展示4類15個微生物在線分析軟件，并將其部署在服務器中，對軟件完成封裝。封裝后的操作十分復雜，只能在本機運行的軟件被轉化成無需本地安裝、可通過瀏覽器直接操作的軟件工具。除了BLAET，其他14款分析軟件都需以圖形界面交互方式為基礎應用，MEGA4，Tree View等5款微生物在線分析軟件需要在Windows中使用，其他9款軟件需要在Linux系統中應用[3]。

2.2? 在線生物信息系統功能分析

2.2.1? 數據庫下載與用戶數據管理

微系統將歐洲分子生物學實驗室（European Molecular Biology Laboratory，EMBL）與Gen Bank等生物網站數據庫高效整合，包含已經測序的基因數據庫、蛋白質序列與基因信息數據庫。各個數據庫中的微生物數據信息被高效整合，在信息分析系統中可以下載使用，實現了資源利用的最大化。為用戶提供信息數據的上傳和下載服務，使用者登錄信息分析系統后，從文件管理頁面中對需要分析的目標文件上傳，按照自己需要的格式，從文件管理中下載結果文件。為了保證使用者上傳或下載時所有數據的安全和穩定，信息分析系統提供了不同的數據隔離。

此外，還有操作日志功能，用戶登錄系統后，任何操作都會被記錄在日志中，方便管理人員隨時查看，并對其行為展開管理。

2.2.2? 系統在線數據分析

為了更好地預防與控制傳染病，在生物學技術的發展進程下，生物實驗數據已經呈現出海量化發展趨勢。本次研發的信息分析系統為使用者提供了多種數據統計與分析軟件，幫助使用者避開軟件繁瑣的安裝過程，使用步驟被簡化，提高了微生物數據快速分析與處理的可能性。如某一個程序可以用來統計和分析語言操作環境，該程序自身擁有多種微生物數據分析功能，涵蓋了大量統計學的知識。信息分析系統將該程序整合，并將程序轉化為網絡版本，提高了微生物數據計算的效率，增強了針對網絡平臺中海量數據的處理能力，如基因組測序和芯片雜交的研究結果可以在信息分析系統中更快得出。

2.2.3? 在線序列比對

不同物種基因組測序快速發展，大量DNA信息出現使人們需要應用最快捷的信息分析工具，對這些DNA數據有效分析，提取有利信息。本信息分析系統為研究提供了多種序列比分析工具，能夠將DNA和蛋白質序列進行相似性比較，將序列之間的差異位點提取出來，并構建信息分析系統發育樹，進一步推斷不同物種之間的進化差距。

2.2.4? 數據圖形化展示

微系統將BRIG和Argo Gennme Browser工具整合，為用戶提供了全基因組圖形化展示，將ATGG字母轉化成線性與環狀圖形。不僅如此，數據圖形化展示中，不同顏色的箭頭或波浪線將染色體不同位置或方向上的基因標注出來，方便使用者進一步研究基因和鳥嘌呤（Guanine）和胞嘧啶（Cytosine）所占的比率，即GC含量的實際變化情況。

伴隨各類測序手段在病原微生物研究和傳染病防控領域的應用，現代化網絡信息技術下的微生物信息手段可以在傳染病診斷中發揮重要作用。國內該領域雖然發展時間較早，但仍未研發出大型公共生物信息數據庫，缺乏專業的微系統。因此，本文針對這一背景狀況展開了信息分析系統的研發與應用，將常用的信息工具集成，實現了系統的高效應用。該信息分析系統的架構體系可以讓使用者通過瀏覽器完成微生物數據扥分析和處理，系統升級快速，方便后期維護，客戶端操作難度低，可以作為其他程序的拓展應用。

3? ? 結語

國內微系統的研發和應用還處于起步階段，能夠提供幫助的信息工具有15個。文章通過對該信息分析系統的深入研發，建立了軟件接口與構建流程，為今后信息分析系統的研發和分析工具的使用奠定基礎，并將其更好地應用在傳染病預防控制領域中。

[參考文獻]

[1]閆津津，陳衛東，楊虹，等.微生物標本類型的實驗室信息系統設置研究[J].國際檢驗醫學雜志，2017（5）：617-619.

[2]羅燕萍，葉麗艷，楊繼勇.臨床微生物信息管理數字化平臺的建設[J].臨床檢驗雜志，2015（11）：809-811.

[3]于偉文，杜鵬程，吳一雷，等.微生物在線生物信息分析系統的開發及應用[J].疾病監測，2016（4）：316-319.

Development and application of microbial on-line biological information analysis system

Wu Yaoqun

（Shaoyang University， Shaoyang 422000， China）

Abstract：An on-line microbial analysis system can be created by a browser or server， which can be used for the prevention and control of infectious diseases. In the development of the system， analysis software， remote desktop and distributed computing are combined， so that the system does not need to be installed locally， can be used directly through the browser. This paper analyzes the software data and application technology needed in the development of microbial on-line analysis system， and probes into the effective results of the practice and application of the system according to the actual situation.

Key words：microorganism; on-line biological information; analytical system